物理学ノーベル賞受賞者が素粒子を閉じ込める方法

粒子テレポーテーションによる安全な通信であれ、超高速の計算能力であれ、量子力学、つまり極小の中の極小の驚くべき世界は、現代物理学の最前線にあります。しかし、今年のノーベル物理学賞受賞者が達成した画期的な成果がなければ、この未来の技術は実現できず、そのどれもテストすらできないでしょう。

セルジュ・アロッシュとデイヴィッド・ワインランドは、壊れやすく、はかない量子状態を制御し、測定する方法を開発したが、これは不可能だと考えられていた。彼らの研究により、通常の物理法則が通用しない、可能な限り小さなスケールでの光と物質の関係について、理論的な議論だけでなく、現実世界の研究が可能になった。量子力学の性質上、彼らの研究は不可能に思えたが、それが現実になったのだ。

量子不確定性を理解するには、シュレーディンガーの猫から始めよう。空想上の猫は箱の中にあり、同時に両方の可能な状態で存在する。つまり、死んでいると同時に生きている、あらゆるシナリオにおいてあらゆる人にとってあらゆるものである。しかし、箱を開けた瞬間、つまり状態を測定した瞬間、猫はどちらか一方になる。測定によって選択が迫られ、それが量子システムの変化につながる。これはすべての量子システムに当てはまり、覗き見るまではすべての状態が同時に存在する。ワインランドとアロッシュはともにこれを回避する方法を考案したと、ワインランドの国立標準技術研究所での同僚で自身もノーベル賞受賞者のビル・フィリップスが説明した。

彼らの方法は驚くほど似ていますが、使用する技術は異なります。ワインランドはイオンを捕らえて光、つまり光子で測定しますが、ハロッシュは光子を捕らえて原子で測定します。

ワインランド氏は、真空中に閉じ込められた電荷を帯びた原子である捕獲イオンの冷却について初めて説明し、実証した。同氏は、正電荷を帯びた原子を電場の中に取り囲むことで、イオンを捕獲した。次に、イオンにレーザー光線を照射すると、イオンは効果的に押されて減速する (減速するということは、イオンが冷えるということだ)。「イオンを冷やすことは、イオンを制御する上で非常に重要だ。イオンが本当に冷えていれば、イオンを使って面白いことができる」とフィリップス氏は述べた。以下にいくつかの例を挙げる。

信じられないほど正確な時計

すべての時計には、時間を数えるための針が必要です。そして、最も優れた針は原子そのものです。さらに優れたのは、他のもの、さらには原子によってさえも邪魔されない単一の原子です。NIST は原子時計の製造を専門としており、ワインランドのトラップはこれまでで最も正確な時計を作るために使用されました。「彼は非常に優れた時計を作ることができました。それはこれまでで最高の時計です。長期間稼働させた場合、30 億年に 1 秒しか進みも遅れもしません」とフィリップス氏は述べました。「これは、いわゆる『政府の仕事に十分な精度』です」と彼は笑いながら付け加えました。この極めて正確な時計は、アインシュタインの相対性理論と、重力が時間の経過に与える影響を測定するために使用されました。

一度に2つの場所

レーザー光はイオンを重ね合わせた状態にするのにも使えます。シュレーディンガーの猫のように、イオンは同時に 2 つの異なる状態になることができます。ワインランドの方法は、イオンを 2 つの異なるエネルギー レベルにします。イオンは低エネルギー状態から始まり、レーザー パルスがそれをほぼ、しかし完全には高エネルギー状態ではない程度に押し上げます。このように、イオンは 2 つのレベルの間に挟まれ、エネルギー状態の重ね合わせ状態にある混血種です。

「デイブはおそらく、これはシュレーディンガーの子猫、あるいは胎児の子猫だと言うでしょう。しかし、これは量子力学の何がそんなに奇妙であるかを示す類のものです」とフィリップス氏は言う。「これはデイブが成し遂げた進歩のおかげでのみ可能になったのです。」

このエネルギーの境界は、レーザーを使用して光子を測定可能な方法で散乱させることによっても研究できます。

一方、ハロッシュ氏はマイクロ波キャビティを使って光の粒子である光子を捕らえる。次に原子を使って原子の動きを測定する。光子は原子のエネルギー状態の変化を誘発し、それによって光子に関する情報が得られる。これは量子もつれと呼ばれるもので、光子に起こることは原子にも起こるため、ハロッシュ氏は実際に直接測定することなく、時間経過に伴う原子の変化を研究できる。どんな種類の検出器を使っても光子を見ようとしてもうまくいかない、とフィリップス氏は説明した。

「そうすると、検出器が光子を飲み込んでしまいます。光子は消えてしまいます。ハロッシュがやったのは、光子を空洞に入れて、そこにあることを確認してから原子を送り込むことです。原子は光、つまりマイクロ波を感知し、そのマイクロ波の特定の強度を感知します。その強度に基づいて、原子は量子状態を変え始めることができます。」

量子論理

重ね合わせの強制は量子ゲートの基礎でもあり、量子ゲートは量子コンピューターの重要な要素であるとフィリップス氏は指摘した。ワインランド氏のグループは、2 つの量子ビットによる量子演算を初めて実証した。将来的には、これを利用してバイナリ コードの制約から解放された量子コンピューターが作られるかもしれない。量子ビットは 1 か 0 のどちらかではなく、0 と 1 の両方である。2 つの量子ビットは、00、01、10、11 など、同時に 4 つの状態になることができ、最終的には宇宙のすべての原子よりも多くの状態を保持できる 300 量子ビットのコンピューターになる。

Haroche は、初期状態が不明な量子システムも構築できます。これは量子コンピューターと暗号にとって非常に重要です。不確定な数の光子から始めて一連の測定を行い、意図的にシステムに変化を与え、そこに含まれる可能性があると推測できる光子の範囲を絞り込むことができます。おそらく異なる速度の原子を使用して二次測定を行うと、さらに詳しい情報が得られ、光子の数と動作がわかります。「測定によって、選択させました。どれが自然であるかを選択させました」とフィリップス氏は言います。「自然に、本来備わっているさまざまな可能性の中からどれが自然であるかを選択させました。」

アメリカ物理学会出版担当副会長のジョン・ヘインズ氏は、ハロッシュ氏とワインランド氏は現代物理学で最も影響力のある研究のいくつかを行ったと述べた。「量子力学はかつては単なる理論と哲学でしたが、今回の研究と他の研究者による進行中の研究を通じて、私たちは現在、これらの科学的原理をテストし、操作し、構築しています」とヘインズ氏は述べた。